KR20240052378A - 배터리 팩의 열폭주 전이 방지장치 - Google Patents

Abstract

배터리팩(Battery pack)의 내부에 발생한 열과 가스가 외부로 방출될 수 있도록 방출통로와 방출밸브를 구현하여 열과 가스가 주위 셀(cell)에 전이되지 않도록 하여 안전성을 확보한 배터리 팩의 열폭주 전이 방지장치에 관한 것으로서, 배터리 팩 내부의 배터리 셀로부터 발생한 열과 가스를 이동시키는 통로인 방출 통로 및 방출 통로를 따라 이동하는 열과 가스를 배터리팩의 밖으로 방출하기 위한 개폐 밸브를 배터리 팩 내부에 구현하고, 배터리 관리 시스템에서 배터리 팩 내부의 배터리 셀의 온도를 검출하는 셀 온도 검출기에서 검출한 온도가 설정 온도 이상이 되면 열폭주로 판단을 하고, 개폐 밸브를 개방시켜 배터리 팩 내부의 열과 가스가 배터리 팩 외부로 방출되도록 하여 열폭주 전이를 방지한다.

Description

배터리 팩의 열폭주 전이 방지장치{Thermal runaway prevention device of battery pack}

본 발명은 배터리 팩의 열폭주 전이 방지에 관한 것으로, 특히 배터리팩(Battery pack)의 내부에 발생한 열과 가스가 외부로 방출될 수 있도록 방출통로와 방출밸브를 구현하여 열과 가스가 주위 셀(cell)에 전이되지 않도록 하여 안전성을 확보한 배터리 팩의 열폭주 전이 방지장치에 관한 것이다.

세계적인 에너지 정책은 석탄 화력발전소 등 지구온난화를 발생시키는 발전시설을 축소하고 탄소 중립을 위한 친환경에너지로 변화하고 있다. 리튬이온(Li-ion)전지는 태양광 및 풍력 발전소에서 생산된 전기를 저장하고 에너지 사용을 효율적으로 사용할 수 있도록 해주는 역할을 하고 있다. 이에 따라 리튬이온전지의 사용량은 더욱 증가하고 있으며 국내 기업들은 신사업 분야로 리튬이온전지 개발에 앞장서고 있다. 특히, 전기 자동차 등에 사용하는 배터리팩은 복수의 리튬이온전지(Li-ion cell)를 하나로 모듈화하여 외부의 물리적 충격으로부터 보호하며 특정한 역할을 수행하도록 구현된다.

리튬이온전지는 높은 에너지 밀도와 장기간 사용이 가능한 장점이 있어 전기 자동차와 에너지 저장장치 등에 적용하고 있다. 다만, 리튬이온전지의 다양한 장점에도 불구하고 리튬이온전지에서 발생하는 열폭주(Thermal runaway) 현상은 아직 해결되지 않은 과제로 남아있다. 국내의 energy storage system(ESS) 및 전기 자동차에서 발생한 화재 및 폭발사례들은 리튬이온전지의 위험성을 보여주고 있다.

리튬이온전지에 열폭주가 발생하면 화재 또는 폭발이 발생하는데 이러한 경우 인접 셀과 모듈로 열폭주 전이가 발생하고 높은 화재강도와 연속적인 폭발위험 때문에 대응이 매우 어렵다. ESS 성능시험기준에 해당하는 UL 9540A에서는 배터리 열폭주 현상을 전기화학적 셀이 통제할 수 없는 방식으로 자기 스스로 가열하여 온도를 상승시키는 것으로 정의하고 있다.

리튬이온전지 열폭주 발생 특성과 관련하여 국내외 다양한 연구가 수행되었으나, 열폭주 전이 방지를 위한 소화시스템 개발 방향에 대한 연구는 부족한 실정이다. 리튬이온전지에 대한 연구는 주로 문헌 연구 및 모델링 개발에 국한되어 왔다. 또한, 리튬이온전지에 대한 열폭주 위험성에 대한 실험연구가 수행된 바 있으나 국내 ESS나 전기 자동차에 제한적으로 사용하는 원통형으로 수행되었다.

국외의 경우에도 리튬이온전지에 대한 다양한 연구는 진행되어 왔으나, 리튬이온전지 열폭주 전이 방지를 위한 열폭주 이후의 대책보다는 예방차원의 접근이 주를 이룬다. 리튬이온전지 소화시스템에 대한 실험연구는 화재 진압 여부에 초점을 두었으며 열폭주 전이 방지를 위한 소화 약제 개발방향에 대한 연구는 이루어지지 않았다.

리튬이온전지 열폭주는 기계적 이상조건, 전기적 이상조건, 열적 이상조건, 내부단락에 의해 발생하게 된다. 기계적 이상조건은 리튬이온전지의 부식, 충돌 및 관통에 의해 변형 등을 발생시켜 열폭주가 발생하게 되는 것을 의미한다. 전기적 이상조건에는 외부단락, 과충전 및 과방전이 있으며, 전기적 이상조건에 의해 리튬이온전지 셀의 온도를 상승시켜 열폭주가 발생한다. 열적이상 조건은 외부 열원에 의해 셀의 온도가 상승하여 열폭주가 발생하게 되며, 내부 단락의 경우 가장 일반적인 열폭주의 원인으로 도 1과 같이 모든 이상조건에서 내부단락이 발생하게 된다. 리튬이온전지는 음극과 양극 사이에 분리막이 존재하는데 분리막이 손상되면 음극과 양극이 서로 접촉하면서 저장된 전기화학적 에너지가 발열과 함께 자발적으로 방출된다.

이러한 현상은 리튬이온전지의 열폭주에 직접적이 원인이 된다.

내부단락의 시작온도는 분리막 붕괴온도와 관련이 있다. 분리막 붕괴는 PE 분리막은 약 130℃, PP 분리막은 약 170℃에서 발생할 수 있다. 세라믹 분리막의 경우 더 높은 온도에서 붕괴가 발생하며 약 200℃에서 나타난다. 리튬이온전지의 열폭주 전이 방지를 위해서는 어느 한 셀에 열폭주가 발생하더라고 주의의 셀에 전이가 되지 않도록 해서, 화재가 발생하는 것을 방지할 필요가 있다.

대한민국 공개특허 10-2002-0092740(2022.07.04. 공개)(전기자동차용 배터리의 열폭주 저지를 위한 감압분사형 자가 소화 시스템 및 방법)

따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 리튬이온전지가 복수로 이루어진 배터리팩에서 특정 셀이 열폭주 발생시 주변 셀에 열폭주 전이가 이루어져 화재가 발생하는 것을 방지하기 위해서 제안된 것으로서, 배터리 팩(Battery pack)의 내부에 발생한 열과 가스가 외부로 방출될 수 있도록 방출통로와 방출밸브를 구현하여 열과 가스가 주위 셀(cell)에 전이되지 않도록 하여 안전성을 확보한 배터리팩의 열폭주 전이 방지장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "배터리팩의 열폭주 전이 방지장치"는,

복수의 리튬-이온 배터리 셀(Battery cell)로 이루어진 배터리팩에 있어서,

상기 배터리팩 내부의 배터리 셀로부터 발생한 열과 가스를 이동시키는 통로인 방출 통로;

상기 방출 통로를 따라 이동하는 열과 가스를 배터리팩의 밖으로 방출하기 위한 개폐 밸브;

상기 배터리팩 내부의 배터리 셀의 온도를 검출하는 셀 온도 검출기; 및

상기 셀 온도 검출기에서 검출한 배터리 셀 온도가 설정 온도 이상이 되면 열폭주로 판단을 하고, 상기 개폐 밸브를 개방시켜 배터리 팩 내부의 열과 가스가 배터리 팩 외부로 방출되도록 하여 열폭주 전이를 방지하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 방출 통로는 배터리 셀과 일대일 대응하도록 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 개폐 밸브는 상기 방출 통로와 일대일 대응하도록 구현되며, 전자식 밸브로 구현된 것을 특징으로 한다.

상기에서 배터리 관리 시스템은 열폭주 판단시 열폭주가 감지된 배터리 셀에 대응하는 개폐밸브만 선택적으로 개방하여 열폭주 전이를 방지하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 배터리 관리 시스템은 열폭주 판단시 모든 배터리 셀의 개폐밸브를 동시에 개방하여 열폭주 전이를 방지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 배터리 팩(Battery pack)의 내부에 발생한 열과 가스가 외부로 방출될 수 있도록 방출통로와 방출밸브를 구현하여, 특정 배터리 셀에서 열폭주 발생 시 열과 가스가 주위 셀(cell)에 전이되지 않도록 하여 안전성을 도모해주는 효과가 있다.

도 1은 리튬이온전지를 이용한 배터리 팩에서 내부 단락시 열폭주 원인 예시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 열폭주 전이 방지장치의 구성도이며,
도 3은 본 발명에서 배터리 팩의 열폭주 발생시 개폐 밸브 작동 구조도이고,
도 4는 본 발명에서 배터리 팩의 열폭주 발생시 개폐밸브 제어 구성도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리팩의 열폭주 전이 방지장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 배터리 팩의 열폭주 전이 방지장치의 구성도이며, 도 3은 본 발명에서 배터리 팩의 열폭주 발생시 개폐 밸브 작동 구조도이고, 도 4는 본 발명에서 배터리 팩의 열폭주 발생시 개폐밸브 제어 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 팩의 열폭주 전이 방지장치는, 배터리 팩(1), 리튬-이온 배터리 셀(11 - 13), 방출 통로(21 - 23), 개폐 밸브(31 - 33), 셀 온도 검출기(40) 및 배터리 관리 시스템(BMS)(50)을 포함할 수 있다.

배터리 팩(1)에는 복수의 리튬-이온 배터리 셀(Li - ion Battery cell)(11 -13)이 적절한 위치에 내장될 수 있다. 이하, 배터리 셀은 리튬-이온 배터리 셀을 의미한다.

본 발명에서는 하나의 배터리 팩(1)에 3개의 배터리 셀(11 - 13)이 구비된 것을 실시 예로 설명하나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 더 적은 수의 배터리 셀이 내장되거나 더 많은 수의 배터리 셀이 내장된 배터리 팩에도 동일하게 적용할 수 있음을, 당해 분야의 통상의 기술자에게 자명하다 할 것이다.

방출 통로(21 - 23)는 상기 배터리 팩(1) 내부의 특정 배터리 셀로부터 발생한 열과 가스를 이동시키는 통로 역할을 한다. 이러한 방출 통로(21 - 23)는 열폭주 발생시 생성된 고온의 열과 가스에도 변형 또는 파괴되지 않고 견딜 수 있는 재질로 구현하는 것이 바람직하다. 방출 통로(21 - 23)는 배터리 셀의 벤트 오픈(Vent open) 구조 위에 설치하여 배터리 팩의 외부와 연결되어 방출될 수 있는 경로로 설치할 수 있다.

상기 방출 통로(21 - 23)는 배터리 셀(11 - 13)과 일대일 대응하도록 구현될 수 있다.

개폐 밸브(31 - 33)는 상기 방출 통로(21 - 23)를 따라 이동하는 열과 가스를 배터리 팩(1)의 밖으로 방출하는 역할을 한다. 이러한 개폐 밸브(31 - 33)는 비작동시 외부로부터 기밀(방수, 방진)이 이루어지는 밸브일 수 있다. 상기 개폐 밸브(31 - 33)는 상기 방출 통로(21 - 23)와 일대일 대응하도록 구현되며, 전지 신호(전압, 전류)에 의해 동작 가능한 전자식 밸브로 구현될 수 있다.

셀 온도 검출기(40)는 상기 배터리 팩(1) 내부의 배터리 셀(11 - 13)의 온도를 검출하여 배터리 관리 시스템(50)에 전달하는 역할을 한다. 여기서 셀 온도 검출기(40)는 배터리 팩(1)에 내장된 모든 배터리 셀에 대하여 개별적으로 배터리 셀의 온도를 검출하거나, 배터리 팩 내부의 온도를 배터리 셀의 온도로 검출할 수 있다. 본 발명에서는 배터리 셀 각각의 온도를 검출하는 것으로 설명하나, 이것에 한정되는 것은 아니다.

배터리 관리 시스템(50)은 상기 셀 온도 검출기(40)에서 검출한 배터리 셀 온도가 설정 온도 이상이 되면 열폭주로 판단을 하고, 상기 개폐 밸브(31 - 33)를 개방시켜 배터리 팩(1) 내부의 열과 가스가 배터리 팩(1) 외부로 방출되도록 하여 열폭주 전이를 방지하는 역할을 한다.

이러한 배터리 관리 시스템(50)은 열폭주 판단시 열폭주가 감지된 배터리 셀에 대응하는 개폐밸브만 선택적으로 개방하여 열폭주 전이를 방지하거나, 열폭주 판단시 모든 배터리 셀의 개폐밸브를 동시에 개방하여 열폭주 전이를 방지할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 팩의 열폭주 전이 방지장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 복수의 리튬-이온 배터리 셀(Li - ion Battery cell)(11 -13)이 적절한 위치에 내장된 배터리 팩(1)을 특정 제품에 장착하여 사용을 시작하면, 셀 온도 검출기(40)에서 내장된 각각의 셀의 온도를 검출하여 배터리 관리 시스템(50)에 전달한다.

상기 배터리 관리 시스템(50)은 셀 온도 검출기(40)로부터 검출된 각각의 배터리 셀의 온도와 열폭주를 판단하기 위해 미리 설정된 설정 온도(배터리 팩의 크기, 내장된 배터리 셀의 개수 등에 따라 가변적으로 설정될 수 있음)를 각각 비교한다. 즉, 제1 배터리 셀의 검출 온도와 설정 온도를 비교하고, 제2 배터리 셀의 검출 온도와 설정 온도를 비교하고, 제3 배터리 셀의 검출 온도와 설정 온도를 비교하는 방식으로, 특정 배터리 셀의 열폭주를 판단한다.

이어, 상기 배터리 관리 시스템(50)은 상기 셀 온도 검출기(40)에서 검출한 특정 배터리 셀 온도가 상기 설정 온도 이상이 되면 열폭주로 판단을 하고, 상기 열폭주가 감지된 배터리 셀에 대응하는 개폐밸브를 개방하도록 개폐 밸브(31 - 33)를 제어한다. 여기서 배터리 관리 시스템(50)은 열폭주가 감지된 배터리 셀(예를 들어, 11)에 대응하는 개폐밸브(31)만 선택적으로 개방하여 열폭주 전이를 방지하거나, 열폭주 판단시 모든 배터리 셀의 개폐밸브(31 - 33)를 동시에 개방하여 열폭주 전이를 방지할 수 있다.

상기 개폐밸브(31)의 개방 제어시, 상기 개폐밸브(31)에 연결된 방출 통로(21)에 유기된 열과 가스는 방출 통로(21)와 연결된 개폐밸브(31)를 통해 배터리 팩(1)의 외부로 방출된다. 여기서 방출 통로(21)는 배터리 셀(11)에서 열폭주로 발생한 열과 가스가 다른 셀로 전이되지 않고 포집되도록 구현되어 있다.

만약, 열폭주가 제1 및 제2 배터리 셀(11 - 12)에서 검출된 경우, 제1 및 제2 개폐밸브(31 - 32)를 동시에 개방하여, 제1 및 제2 방출통로(21 - 22)에 각각 유기된 열과 가스를 배터리 팩(1)의 외부로 방출하게 된다.

이와 같이 본 발명은 특정 배터리 셀의 열폭주가 발생하여 열과 가스가 발생할 시, 해당 배터리 셀과 연결된 방출 통로를 통해 발생한 열과 가스를 유기하고, 방출 통로와 연결된 개폐 밸브를 개방하여 상기 방출 통로를 통해 유기된 열과 가스를 배터리 팩의 밖으로 방출시킴으로써, 특정 배터리 셀에서 발생한 열폭주가 다른 배터리 셀로 전이되는 것을 방지할 수 있으며, 동시에 열폭주로 인한 열과 가스를 배터리 팩의 외부로 방출시킴으로써, 배터리 팩의 화재가 발생하는 것도 방지할 수 있어, 안전성을 확보할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

1: 배터리 팩
11 - 13: 배터리 셀
21 - 23: 방출 통로
31 - 33: 개폐밸브
40: 셀 온도 검출기
50: 배터리 관리 시스템

Claims (5)

1. 복수의 리튬-이온 배터리 셀(Battery cell)로 이루어진 배터리 팩에 있어서,
   상기 배터리팩 내부의 배터리 셀로부터 발생한 열과 가스를 이동시키는 통로인 방출 통로;
   상기 방출 통로를 따라 이동하는 열과 가스를 배터리팩의 밖으로 방출하기 위한 개폐 밸브;
   상기 배터리팩 내부의 배터리 셀의 온도를 검출하는 셀 온도 검출기; 및
   상기 셀 온도 검출기에서 검출한 온도가 설정 온도 이상이 되면 열폭주로 판단을 하고, 상기 개폐 밸브를 개방시켜 배터리팩 내부의 열과 가스가 배터리팩 외부로 방출되도록 하여 열폭주 전이를 방지하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 열폭주 전이 방지장치.
   
2. 청구항 1에서, 상기 방출 통로는 배터리 셀과 일대일 대응하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 열폭주 전이 방지장치.
   
3. 청구항 1에서, 상기 개폐 밸브는 상기 방출 통로와 일대일 대응하도록 구현되며, 전자식 밸브로 구현된 것을 특징으로 하는 배터리팩의 열폭주 전이 방지장치.
   
4. 청구항 1에서, 상기 배터리 관리 시스템은 열폭주 판단시 열폭주가 감지된 배터리 셀에 대응하는 개폐밸브만 선택적으로 개방하여 열폭주 전이를 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 열폭주 전이 방지장치.
   
5. 청구항 1에서, 상기 배터리 관리 시스템은 열폭주 판단시 모든 배터리 셀의 개폐밸브를 동시에 개방하여 열폭주 전이를 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리팩의 열폭주 전이 방지장치.